Biologik oksidlanish. Oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari: misollar

2024 Muallif: Angel Austin | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-15 17:31

Energiyasiz birorta ham tirik mavjudot mavjud boʻlolmaydi. Axir, har bir kimyoviy reaksiya, har bir jarayon uning mavjudligini talab qiladi. Buni har kim tushunishi va his qilishi oson. Agar siz kun bo'yi ovqat yemasangiz, kechqurun va ehtimol undan ham oldinroq charchoqning kuchayishi, letargiya belgilari boshlanadi, kuch sezilarli darajada kamayadi.

Turli organizmlar energiya olishga qanday moslashgan? U qayerdan kelib chiqadi va hujayra ichida qanday jarayonlar sodir bo'ladi? Keling, ushbu maqolani tushunishga harakat qilaylik.

Organizmlar tomonidan energiya olish

Jonotlar qanday energiya iste'mol qilishidan qat'i nazar, ORR (oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalari) har doim asos bo'ladi. Turli misollar keltirish mumkin. Yashil o'simliklar va ba'zi bakteriyalar tomonidan amalga oshiriladigan fotosintez tenglamasi ham OVR hisoblanadi. Tabiiyki, jarayonlar qaysi tirik mavjudot nazarda tutilganiga qarab farq qiladi.

Demak, barcha hayvonlar geterotrofdir. Ya'ni, o'zlari uchun tayyor organik birikmalarni mustaqil ravishda hosil qila olmaydigan bunday organizmlarularning keyingi bo'linishi va kimyoviy bog'lanish energiyasining chiqishi.

O'simliklar, aksincha, sayyoramizdagi eng kuchli organik moddalar ishlab chiqaruvchisi. Aynan ular fotosintez deb ataladigan murakkab va muhim jarayonni amalga oshiradilar, bu maxsus modda - xlorofill ta'sirida suvdan glyukoza, karbonat angidrid hosil bo'lishidan iborat. Qo'shimcha mahsulot kislorod bo'lib, u barcha aerob tirik mavjudotlar uchun hayot manbai hisoblanadi.

Redoks reaktsiyalari, misollari bu jarayonni tasvirlaydi:

6CO₂ + 6H₂O=xlorofil=C₆H ₁₀O₆ + 6O₂;

yoki

xlorofil pigmenti (reaktsiya fermenti) ta'sirida karbonat angidrid + vodorod oksidi=monosaxarid + erkin molekulyar kislorod

Sayyoramiz biomassasining noorganik birikmalarning kimyoviy bogʻlanish energiyasidan foydalanishga qodir vakillari ham bor. Ular kimyotroflar deb ataladi. Bularga ko'p turdagi bakteriyalar kiradi. Masalan, tuproqdagi substrat molekulalarini oksidlovchi vodorod mikroorganizmlari. Jarayon quyidagi formula bo'yicha amalga oshiriladi:

Biologik oksidlanish haqidagi bilimlarning rivojlanish tarixi

Energiya ishlab chiqarish asosidagi jarayon bugungi kunda yaxshi ma'lum. Bu biologik oksidlanishdir. Biokimyo barcha ta'sir bosqichlarining nozik tomonlari va mexanizmlarini shu qadar batafsil o'rganib chiqdiki, deyarli hech qanday sir qolmadi. Biroq, bu emas edihar doim.

Tirik mavjudotlar ichida sodir boʻladigan eng murakkab oʻzgarishlar, yaʼni tabiatdagi kimyoviy reaksiyalar haqida birinchi eslatma taxminan 18-asrda paydo boʻlgan. Aynan o'sha paytda taniqli frantsuz kimyogari Antuan Lavuazye biologik oksidlanish va yonish qanchalik o'xshashligiga e'tiborini qaratdi. U nafas olish paytida so'rilgan kislorodning taxminiy yo'lini kuzatdi va oksidlanish jarayonlari tanada turli xil moddalarning yonishi paytida tashqariga qaraganda sekinroq sodir bo'ladi degan xulosaga keldi. Ya'ni, oksidlovchi vosita - kislorod molekulalari - organik birikmalar bilan, xususan, ulardan vodorod va uglerod bilan reaksiyaga kirishadi va birikmalarning parchalanishi bilan birga to'liq transformatsiya sodir bo'ladi.

Ammo, bu taxmin mohiyatan haqiqat boʻlsa-da, koʻp narsalar tushunarsizligicha qoldi. Masalan:

• jarayonlar bir-biriga o'xshash bo'lgani uchun ularning paydo bo'lish shartlari bir xil bo'lishi kerak, ammo oksidlanish past tana haroratida sodir bo'ladi;
• harakat katta miqdordagi issiqlik energiyasining chiqishi bilan birga kelmaydi va olov paydo bo'lmaydi;
• Tirik mavjudotlar tarkibida kamida 75-80% suv bor, lekin bu ulardagi ozuqa moddalarining "yoqilishiga" to'sqinlik qilmaydi.

Bu savollarning barchasiga javob berish va biologik oksidlanish nima ekanligini tushunish uchun yillar kerak boʻldi.

Bu jarayonda kislorod va vodorod mavjudligi muhimligini nazarda tutuvchi turli nazariyalar mavjud edi. Eng keng tarqalgan va eng muvaffaqiyatli:

• Bax nazariyasi, deyiladiperoksid;
• Palladin nazariyasi, "xromogenlar" tushunchasiga asoslangan.

Kelajakda Rossiyada ham, dunyoning boshqa mamlakatlarida ham biologik oksidlanish nima degan savolga asta-sekin qoʻshimcha va oʻzgarishlar kiritgan yana koʻplab olimlar paydo boʻldi. Zamonaviy biokimyo, ularning ishi tufayli, bu jarayonning har bir reaktsiyasi haqida aytib berishi mumkin. Bu sohadagi eng mashhur ismlar qatoriga quyidagilar kiradi:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Varburg;
• B. A. Belitzer;
• Leninger;
• B. P. Skulachev;
• Krebs;
• Yashil;
• B. A. Engelxardt;
• Kailin va boshqalar.

Biologik oksidlanish turlari

Ko'rib chiqilayotgan jarayonning ikkita asosiy turi mavjud bo'lib, ular turli sharoitlarda yuzaga keladi. Shunday qilib, mikroorganizmlar va qo'ziqorinlarning ko'p turlarida olingan oziq-ovqatni aylantirishning eng keng tarqalgan usuli anaerob hisoblanadi. Bu biologik oksidlanish bo'lib, u kislorodga kirishsiz va uning hech qanday shaklda ishtirokisiz amalga oshiriladi. Xuddi shunday sharoitlar havoga kirish imkoni bo'lmagan joylarda ham yaratiladi: er ostida, chirigan substratlarda, loylarda, gillarda, botqoqlarda va hatto kosmosda.

Bu turdagi oksidlanish boshqa nomga ega - glikoliz. Bu, shuningdek, murakkab va mashaqqatli, ammo energiyaga boy jarayonning bosqichlaridan biri - aerob transformatsiya yoki to'qimalarning nafas olishidir. Bu ko'rib chiqilayotgan jarayonning ikkinchi turi. U barcha aerob tirik mavjudotlarda - geterotroflarda uchraydikislorod nafas olish uchun ishlatiladi.

Demak, biologik oksidlanish turlari quyidagicha.

1. Glikoliz, anaerob yo'l. Kislorod mavjudligini talab qilmaydi va turli xil fermentatsiya shakllariga olib keladi.
2. Toʻqimalarning nafas olishi (oksidlovchi fosforlanish) yoki aerob koʻrinishi. Molekulyar kislorod mavjudligini talab qiladi.

Jarayon ishtirokchilari

Keling, biologik oksidlanishning oʻziga xos xususiyatlarini koʻrib chiqishga oʻtamiz. Kelajakda ishlatadigan asosiy birikmalar va ularning qisqartmalarini aniqlaymiz.

1. Atsetilkoenzim-A (atsetil-KoA) trikarboksilik kislota siklining birinchi bosqichida hosil boʻlgan oksalat va sirka kislotasining koenzimli kondensatidir.
2. Krebs sikli (limon kislotasi sikli, trikarboksilik kislotalar) energiyaning ajralib chiqishi, vodorodning qisqarishi va muhim past molekulyar ogʻirlikdagi mahsulotlar hosil boʻlishi bilan birga murakkab ketma-ket oksidlanish-qaytarilish jarayonlari seriyasidir. Bu kata- va anabolizmning asosiy bo'g'inidir.
3. NAD va NADH - dehidrogenaza fermenti, nikotinamid adenin dinukleotidni anglatadi. Ikkinchi formula vodorod biriktirilgan molekuladir. NADP - nikotinamid adenin dinukleotid fosfat.
4. FAD va FADN - flavin adenin dinukleotidi - dehidrogenazalarning koenzimi.
5. ATP - adenozin trifosforik kislota.
6. PVX - piruvik kislota yoki piruvat.
7. Süksinat yoki süksin kislotasi, H₃PO₄− fosfor kislotasi.
8. GTP - guanozin trifosfat, purin nukleotidlari sinfi.
9. ETC - elektron tashish zanjiri.
10. Jarayon fermentlari: peroksidazalar, oksigenazalar, sitoxrom oksidazalar, flavin dehidrogenazalar, turli koenzimlar va boshqa birikmalar.

Bu birikmalarning barchasi tirik organizmlar toʻqimalarida (hujayralari) sodir boʻladigan oksidlanish jarayonining bevosita ishtirokchilaridir.

Biologik oksidlanish bosqichlari: jadval

Bosqich	Jarayonlar va ma'no
Glikoliz	Jarayonning mohiyati monosaxaridlarning kislorodsiz bo'linishida yotadi, bu hujayra nafas olish jarayonidan oldin sodir bo'ladi va ikkita ATP molekulasiga teng energiya chiqishi bilan birga keladi. Piruvat ham hosil bo'ladi. Bu geterotrofning har qanday tirik organizmi uchun dastlabki bosqichdir. Mitoxondriyalarning kristalariga kiradigan va kislorod bilan to'qimalarning oksidlanishi uchun substrat bo'lgan PVX hosil bo'lishidagi ahamiyati. Anaeroblarda glikolizdan so'ng har xil turdagi fermentatsiya jarayonlari boshlanadi.
Piruvat oksidlanishi	Bu jarayon glikoliz jarayonida hosil boʻlgan PVXni atsetil-KoA ga aylantirishdan iborat. U maxsus ferment kompleksi piruvat dehidrogenaza yordamida amalga oshiriladi. Natijada Krebs sikliga kiradigan setil-CoA molekulalari paydo bo'ladi. Xuddi shu jarayonda NAD NADH ga kamayadi. Lokalizatsiya joyi - mitoxondriya kristallari.
Beta yog 'kislotalarining parchalanishi	Bu jarayon avvalgisiga parallel ravishda amalga oshiriladimitoxondriyal kristallar. Uning mohiyati barcha yog 'kislotalarini asetil-KoA ga qayta ishlash va uni trikarboksilik kislota aylanishiga qo'yishdir. Bu NADHni ham tiklaydi.
Krebs sikli	Asetil-KoA ning limon kislotasiga aylanishi bilan boshlanadi, u keyingi transformatsiyalarga uchraydi. Biologik oksidlanishni o'z ichiga olgan eng muhim bosqichlardan biri. Bu kislota ta'sir qiladi: dehidrogenatsiya; dekarboksillanish; regeneratsiya. Har bir jarayon bir necha marta bajariladi. Natija: GTP, karbonat angidrid, NADH va FADH 2 ning kamaytirilgan shakli. Shu bilan birga, biologik oksidlanish fermentlari mitoxondriyal zarrachalar matritsasida erkin joylashadi.
Oksidativ fosforillanish	Bu eukaryotik organizmlardagi birikmalarning konversiyasining oxirgi bosqichidir. Bunday holda, adenozin difosfat ATP ga aylanadi. Buning uchun zarur bo'lgan energiya oldingi bosqichlarda hosil bo'lgan NADH va FADH2 molekulalarining oksidlanishidan olinadi. ETC boʻylab ketma-ket oʻtishlar va potentsiallarning kamayishi natijasida energiya ATP ning makroergik aloqalarida hosil boʻladi.

Bularning barchasi kislorod ishtirokida biologik oksidlanish bilan kechadigan jarayonlardir. Tabiiyki, ular to'liq tavsiflanmagan, faqat mohiyatiga ko'ra, chunki batafsil tavsif uchun kitobning butun bobi kerak bo'ladi. Tirik organizmlarning barcha biokimyoviy jarayonlari nihoyatda ko'p qirrali va murakkabdir.

Jarayonning oksidlanish-qaytarilish reaktsiyalari

Redoks reaktsiyalari, ularning misollari yuqorida tavsiflangan substrat oksidlanish jarayonlarini ko'rsatishi mumkin.

1. Glikoliz: monosaxarid (glyukoza) + 2NAD⁺ + 2ADP=2PVC + 2ATP + 4H⁺ + 2H ₂O + NADH.
2. Piruvat oksidlanishi: PVX + ferment=karbonat angidrid + atsetaldegid. Keyin keyingi qadam: atsetaldegid + koenzim A=atsetil-KoA.
3. Krebs siklida limon kislotasining koʻp ketma-ket oʻzgarishi.

Misollari yuqorida keltirilgan bu oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari davom etayotgan jarayonlarning mohiyatini faqat umumiy ma'noda aks ettiradi. Ma'lumki, ko'rib chiqilayotgan birikmalar yuqori molekulyar og'irlik yoki katta uglerod skeletiga ega, shuning uchun hamma narsani to'liq formulalar bilan ifodalash shunchaki mumkin emas.

To'qimalarning nafas olishining energiya chiqishi

Yuqoridagi ta'riflardan ko'rinib turibdiki, butun oksidlanishning umumiy energiya unumini hisoblash qiyin emas.

1. Glikoliz ikkita ATP molekulasini hosil qiladi.
2. Piruvat oksidlanishi 12 ATP molekulasi.
3. Limon kislotasi siklida 22 molekula.

Xulosa: aerob yo'l orqali to'liq biologik oksidlanish 36 ATP molekulasiga teng energiya chiqishini beradi. Biologik oksidlanishning ahamiyati aniq. Aynan mana shu energiya tirik organizmlarning hayoti va faoliyati, shuningdek, tanalarini isitish, harakat va boshqa zarur narsalar uchun sarflaydi.

Substratning anaerob oksidlanishi

Biologik oksidlanishning ikkinchi turi anaerobikdir. Ya'ni, hamma tomonidan amalga oshiriladigan, ammo ma'lum turdagi mikroorganizmlar to'xtab qolgan. Bu glikoliz bo'lib, aeroblar va anaeroblar o'rtasidagi moddalarning keyingi o'zgarishidagi farqlar aniq kuzatiladi.

Bu yoʻlda bir necha biologik oksidlanish bosqichlari mavjud.

1. Glikoliz, ya'ni glyukoza molekulasining piruvatga oksidlanishi.
2. ATP regeneratsiyasiga olib keladigan fermentatsiya.

Fermentatsiya ishtirok etgan organizmlarga qarab har xil boʻlishi mumkin.

Sut kislotasi fermentatsiyasi

Sut kislotasi bakteriyalari va ba'zi zamburug'lar tomonidan amalga oshiriladi. Pastki chiziq PVXni sut kislotasiga qaytarishdir. Bu jarayon sanoatda quyidagini olish uchun ishlatiladi:

• fermentlangan sut mahsulotlari;
• fermentlangan sabzavotlar va mevalar;
• hayvonlar siloslari.

Bu fermentatsiya turi inson ehtiyojlari uchun eng koʻp qoʻllaniladi.

Spirtli fermentatsiya

Qadim zamonlardan beri odamlarga ma'lum. Jarayonning mohiyati PVXni ikki molekula etanol va ikkita karbonat angidridga aylantirishdir. Ushbu mahsulot rentabelligi tufayli fermentatsiyaning ushbu turi quyidagini olish uchun ishlatiladi:

• non;
• vino;
• pivo;
• qandolat mahsulotlari va boshqalar.

Bu zamburug'lar, xamirturushlar va bakterial xususiyatga ega mikroorganizmlar tomonidan amalga oshiriladi.

Butirik fermentatsiya

Fermentatsiyaning juda tor o'ziga xos turi. Clostridium jinsi bakteriyalari tomonidan amalga oshiriladi. Xulosa - piruvatning butirik kislotaga aylanishi, bu taomga yoqimsiz hid va xira ta'm beradi.

Shuning uchun bu yoʻldan keyingi biologik oksidlanish reaksiyalari sanoatda amalda qoʻllanilmaydi. Biroq, bu bakteriyalar oziq-ovqat mahsulotlarini o'z-o'zidan ekib, zarar etkazadi va ularning sifatini pasaytiradi.